I1緒論1.1課題研究背景及意義無刷電機因其高效、體積小、噪音小、壽命長等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在動力機械和自動化控制等領(lǐng)域。研究無刷電機驅(qū)動意義重大。首先，該技術(shù)的推廣應(yīng)用可以促進電動汽車等新能源汽車的發(fā)展[1]，減少碳排放，減緩氣候變化。其次，無刷電機驅(qū)動具備高效、可靠、安全等特性，可以提高工業(yè)設(shè)備的運行效率與可靠性，促進工業(yè)化生產(chǎn)的進步。此外，在機器人領(lǐng)域，無刷電機驅(qū)動也可以提高機器人的運動精度和靈活性，擴大機器人的應(yīng)用范圍[2]。在無刷電機的控制系統(tǒng)中電調(diào)的主要作用是控制電機的轉(zhuǎn)速和方向。目前市場上主要采用集成芯片作為電調(diào)的控制芯片[3]，其控制功能受到限制，且無法滿足特殊應(yīng)用場景的需求。針對這些問題，本選題擬通過基于CH32單片機的無刷電機驅(qū)動設(shè)計和研究，提高系統(tǒng)的控制精度，降低能耗和成本，推動其在工業(yè)控制、智能家居等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。綜上所述，研究無刷電機驅(qū)動十分重要，其應(yīng)用前景十分廣闊，對于推動新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和提高設(shè)備的效率、可靠性等方面都具有重要的作用。1.2國內(nèi)外無刷電機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1國內(nèi)無刷電機研究現(xiàn)狀自從70年代初我國就開始研究無刷電機。經(jīng)過國家的扶持，高校和研究院共同開展了一系列重點的研究使得我們國家的無刷電機技術(shù)迅速發(fā)展，提高了很大的水平[4]。目前，國內(nèi)主要專注于詳細研究無刷電機的工作性能。2014年，陳健等人認為無刷電機電磁噪聲主要源于電機內(nèi)部徑向電磁力和定位轉(zhuǎn)矩，通過更改電機極槽配合方式、適當提高PWM頻率、以及調(diào)節(jié)霍爾元件位置等方式來嘗試降低電機噪聲。同時通過對電機振動頻譜和噪聲頻譜的測量，在相同頻率點兩者振幅趨勢完全相同，證實了電機振動和噪聲存在相關(guān)性[20]。2020年，中國科學院深圳的研究人員參與了機器人足底傳感器的研究。該團隊提出了一種解決EN碼盤跳步和改善動態(tài)性能的無刷電機驅(qū)動的跟蹤算法，通過模糊PID調(diào)節(jié)方法和二階滑?？刂葡嘟Y(jié)合實現(xiàn)電機的精確定位及跟蹤控制，采用無刷電機技術(shù)驅(qū)動機器人足底傳感器，研究團隊嘗試了不同的控制方法，并優(yōu)化了單個傳感器的驅(qū)動方案，最終實現(xiàn)了高精度機器人運動的控制。2021年，黃曉強、陳云峰等人提出了一種采用快速無故障角度估計的無刷電機驅(qū)動，該驅(qū)動電路主要采用單片機和FPGA實現(xiàn)智能化無故障控制，能夠即時檢測電機狀態(tài)并防止故障發(fā)。通過以上的國內(nèi)研究動態(tài)，我們可以看出無刷電機驅(qū)動電路設(shè)計在國內(nèi)的研究重點在無刷電機性能和控制精度方面，并且都取得了一些有益的突破。1.2.2國外無刷電機研究現(xiàn)狀隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，有刷電機的缺點越來越明顯，由于有刷電機是使用機械換相的方式進行換相，噪音大、效率低、不環(huán)保等問題越發(fā)凸顯。而無刷電機是利用電子換相。而且無刷電機在運行時相較于有刷電機具有速度比較平穩(wěn)、速度調(diào)節(jié)范圍比較廣等優(yōu)點[18]。1955年，美國科學家D．Harrison和他的團隊申請的專利中提到了利用晶體管進行電路換相的方法，也為后來無刷電機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在1962年，隨著科技的發(fā)展，無刷電機的研究進程又更進了一步。開發(fā)了用位置傳感器對電機進行換相的方法。在1978年，越來越多的無刷電機進入了實用的階段，聯(lián)邦德國原西德公司發(fā)布了MAC直流無刷電機和配套的驅(qū)動器[19]2020年，美國Tesla公司推出了一款全電動半掛卡車-TeslaSemi。該車輛采用無刷電機驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動高性能電動機，通過先進的電機控制算法，特斯拉能夠?qū)崟r調(diào)整電機的輸出功率和扭矩。車載控制器可以實時監(jiān)測電池容量、范圍、路線等參數(shù)，以確保長途運輸?shù)目煽啃院托侍峁┏錾募铀傩阅芎婉{駛體驗。此外，無刷電機驅(qū)動技術(shù)的自適應(yīng)算法可以為卡車提供更高的動力密度和更高的效率。特斯拉采用了獨特的無刷直流電機技術(shù)，這種電機具有高效率、高轉(zhuǎn)矩特性和寬工作范圍[5]。2021年，德國一家公司Maytech發(fā)布了一款支持5S至14S電池組的雙向無刷電機驅(qū)動。該驅(qū)動具有超高的控制效率和響應(yīng)速度，在多種載荷下都具備穩(wěn)定運行和精確控制的能力。2022年，歐洲一家公司VESC（Vedder’sElectronicSpeedController）發(fā)布了6款基于VESC硬件和OpenSource的固件的開源無刷電機驅(qū)動VESC6Plus。該驅(qū)動可以支持高達60V300A的大功率電機，擁有非常高的控制精度和響應(yīng)速度。通過以上的國外研究動態(tài)，我們可以看出，國外關(guān)于無刷電機驅(qū)動的研究重點在于優(yōu)化電機控制器的動態(tài)性能、提高轉(zhuǎn)速、改進控制策略、探索新的領(lǐng)域應(yīng)用等方面。技術(shù)方面，國外的研究更多地采用人工智能、機器學習等先進技術(shù)進行研究，尤其注重電機運行的自適應(yīng)優(yōu)化。1.3論文安排本次設(shè)計需要完成三個部分，第一部分是對無刷電機驅(qū)動系統(tǒng)進行硬件設(shè)計，第二部分是對系統(tǒng)進行軟件設(shè)計，第三部分是將設(shè)計的系統(tǒng)進行應(yīng)用測試。首先，第一部分的硬件設(shè)計分別是主控制電路的設(shè)計，驅(qū)動電路的設(shè)計，電源電路的設(shè)計，逆變電路的設(shè)計和保護電路的設(shè)計等。主控制電路的設(shè)計主要是使控制芯片能夠正確的輸出控制信號，驅(qū)動電路設(shè)計主要是對控制芯片輸出的信號進行功率放大。電源設(shè)計主要是為不同的電路提供不同的供電電壓。逆變電路的設(shè)計主要是使放大控制信號能夠控制逆變電路中MOS管進行開通或關(guān)斷，從而驅(qū)動電機進行轉(zhuǎn)動。而保護電路的設(shè)計主要是過壓保護，在整個設(shè)計中也起著至關(guān)重要的作用。其次，軟件設(shè)計采用閉環(huán)的控制方案。在完成硬件和軟件設(shè)計之后，需要對整個系統(tǒng)進行調(diào)試，而調(diào)試的最終結(jié)果可以通過觀察電機的運轉(zhuǎn)情況來進行判斷設(shè)計是否正確。最后，在完成調(diào)試之后本設(shè)計需要完成的便是對驅(qū)動系統(tǒng)進行應(yīng)用，由于博思生產(chǎn)的N車模，原裝飛輪和后輪都是無刷，剛好跟CH32V307雙電機無刷驅(qū)動匹配。所以本設(shè)計選擇N車模飛輪無刷電機、N車模后輪無刷電機來進行測試。2無刷電機的基本結(jié)構(gòu)和控制原理2.1無刷電機的基本結(jié)構(gòu)無刷電機的機體結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：轉(zhuǎn)子部分和定子部分[6]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。圖2-1無刷電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)無刷電機的轉(zhuǎn)子是永磁體，由永磁材料制作而成，具有一定磁極對數(shù)。2.2無刷電機的工作原理無刷電機的工作原理是：無刷電機的轉(zhuǎn)子可以繞著固定的軸在磁力的牽引下旋轉(zhuǎn)，輸出扭矩與機械能；定子與電機的外殼銜接固定，靜止不動，通過不同的電流流向為轉(zhuǎn)子提供不同方向的牽引力[6]。從“麥克斯韋定律”中可以了解到電生磁的原理，線圈通電之后會產(chǎn)生磁場，通電線圈的附近可以產(chǎn)生磁場，磁場極性可以通過由英國物理學家約翰·阿姆斯特朗19世紀末提出的“右手定則”得出，因此通電的線圈就相當于一個磁體。對于兩個相近的磁體來說，同性就相斥，異性就相吸。所以只需要知道轉(zhuǎn)子所在的位置和當前的運動狀態(tài)，調(diào)整各個線圈的通電方向就能給轉(zhuǎn)子施加相應(yīng)的排斥力與吸引力，使電機完成加速或減速運動。在實際的生活中，無刷電機大多數(shù)為三相繞組三，即相對的兩個磁芯上以相反的方向纏繞線圈作為一組繞線。這樣它們在面向定子的一側(cè)具有相同的極性，可以在轉(zhuǎn)子的兩端分別施加引力或斥力，提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動驅(qū)動力和效率。在整個驅(qū)動周期內(nèi)每個定子即需要提供S極也需要提供N極。所以需要線圈內(nèi)的電流即可以正向?qū)щ娨部梢苑聪驅(qū)щ姟＞€圈的繞線方式多為星型連接。線圈主要采用兩兩導(dǎo)通的方式控制線圈。在這種方式下，在控制周期內(nèi)三相線圈中只有兩相是導(dǎo)通狀態(tài)，另外一相處于懸空狀態(tài)。在周期內(nèi)，定子線圈的導(dǎo)通狀態(tài)發(fā)生一次改變時，電機的轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)動60°而每個MOS管導(dǎo)通120°，由于轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動60°線圈導(dǎo)通狀態(tài)發(fā)生一次變化，所以可以將空間劃分為6個扇區(qū)，將三相線圈分別命名為A、B、C，并且令C相關(guān)斷、A相流過正電流、B相流過負電流的扇區(qū)為扇區(qū)一，此時線圈導(dǎo)通的情況如圖2-2所示。圖2-2無刷電機工作原理圖這種狀態(tài)下AH與BL導(dǎo)通，其他的MOS管保持關(guān)閉狀態(tài)。電源、MOS管AH和BH、線圈繞組A和B之間就會形成回路，電流從電源流出后從A相繞組流入從B相繞組流出。在周期內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈時，控制方式按照AB-CB-CA-BA-BC-AC的順序依次導(dǎo)通。這六種電機線圈的通電方式如表2.1所示。表2.1電機線圈的通電方向序號導(dǎo)通方式1A流入B流出2C流入B流出3C流入A流出4B流入A流出5B流入C流出6A流入C流出2.3霍爾傳感器的工作原理霍爾傳感器是磁感應(yīng)設(shè)備，它以霍爾效應(yīng)為基礎(chǔ)，是一種由霍爾元件和其附屬電路組成的集成傳感器[6]。當半導(dǎo)體薄片的垂直方向上存在有磁感應(yīng)強度B的磁場時，在其兩端通過電流I，則在垂直于磁場和電流的方向上會產(chǎn)生電勢差為UHUH=式中d為薄片的厚度，k稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。由于霍爾電壓的電壓值很低所以需要將霍爾元件中得到的霍爾電壓經(jīng)過放大器、溫度補償?shù)入娐返奶幚?。將這些電路與霍爾元件集成到一起后就形成了霍爾傳感器。將它放于定子的磁芯之間，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)掃過它時，轉(zhuǎn)子的磁感應(yīng)線穿過霍爾元件，霍爾傳感器會產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖。這樣就可以將轉(zhuǎn)子的位置信號轉(zhuǎn)換為電信號被芯片采取用作計算。

3無刷電機的控制思路及算法分析3.1設(shè)計的基本思路首先，在充分了解國內(nèi)外無刷電機現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，確立了本設(shè)計課題。其次，制定了本設(shè)計的驅(qū)動方案以及驅(qū)動電路應(yīng)用性能指標。本設(shè)計采用閉環(huán)控制方式。硬件設(shè)計部分采用主控加驅(qū)動和逆變電路的方法，采用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，電源設(shè)計方面為了滿足不同電路的需求，采用了不同供電電壓的供電機制，另外增加了過壓保護電路以更好的保護本電路。軟件設(shè)計方面，采用閉環(huán)的控制方式。而用在在具體的程序?qū)崿F(xiàn)方面，將初始化等不需要隨時更改的功能寫入主程序，將設(shè)計的主要功能實現(xiàn)程序?qū)懺谧映绦蛑校奖愫笃诘恼{(diào)試和修改等。算法部分本設(shè)計主要采用PID算法。最后，在完成驅(qū)動電路的設(shè)計和調(diào)試之后，通過檢查主控電路、驅(qū)動電路等相關(guān)電路和電機運轉(zhuǎn)情況得出本驅(qū)動電路設(shè)計的正確性[7]。3.2無刷電機控制系統(tǒng)基本思路如圖3-1所示，位置傳感器檢測到轉(zhuǎn)子位置信號后傳送到主控制芯片，主控制電路輸出控制信號，驅(qū)動電路將控制信號進行放大處理，調(diào)節(jié)逆變器以不同的PWM控制功率管的開關(guān)從而控制電機的三相繞組進而達到換相的目的，使電機的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的磁場下運轉(zhuǎn)[16]。圖3-1無刷電機的控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)3.3PID控制策略本次設(shè)計使用的主要控制算法為工業(yè)上常用的閉環(huán)算法PID。如圖3-2所示，常規(guī)PID主要由比例控制P、積分控制I、微分控制D三部分組成，根據(jù)系統(tǒng)誤差e和誤差變化率e(t)求控制量u的運算。模擬PID控制輸出公式:（式3.1）式中u(t)——控制器的輸出值，e(t)——設(shè)定值與系統(tǒng)輸出之間的誤差，e(t)=r(t)-y(t)；Kp——比例系數(shù)；Ti——積分時間常數(shù)；Td——微分時間常數(shù)。由于計算機處理信號類型的限制，為了在計算機上實現(xiàn)PID控制器的功能，會將上面的PID控制輸出公式進行離散化處理并經(jīng)計算、變形后得到數(shù)字PID算法公式：（式3.2）式中u(k)——第k次采樣時控制器的輸出值；e(k)——第k次采樣時設(shè)定值與系統(tǒng)輸出之間的誤差，Kp——比例參數(shù)；Ki——積分參數(shù)；Kd——微分參數(shù)。將上式進行改進，求出兩次采樣輸出控制量的改變量，得到增量式PID算法：（式3.3）增量式PID算法不需要累加，只需要更新第k次誤差、第k-1次誤差e(k-1)、第k-2次誤差e(k-2)三個變量的值，不再考慮之前的誤差值，運算次數(shù)少計算量小，占用CPU的存儲空間少，獲得比較好的控制效果較為容易。PID控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示。圖3-2PID控制器結(jié)構(gòu)

4無刷電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用主控芯片——驅(qū)動芯片——逆變電路的設(shè)計方案，該方案的硬件架構(gòu)圖如下圖4-1所示。圖4-1無刷電機控制硬件設(shè)計根據(jù)第二章無刷電機驅(qū)動的工作原理可知，該控制系統(tǒng)采用的硬件控制方式分為五部分組成(架構(gòu))如圖4-1所示，該控制系統(tǒng)主要由1、主控制電路；2、驅(qū)動電路；3、逆變電路；4、電源管理；5、電機本體五部分模塊所組成。其中，第一部分的主控制模塊為主要的控制角色，輸入在主控制芯片中的PWM為軟件控制中預(yù)先設(shè)定的參數(shù)生成的PWM信號，主控制芯片通過計算以后產(chǎn)生新的PWM信號，其產(chǎn)生的PWM通過驅(qū)動芯片來驅(qū)動逆變電路的功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。另外，主控制芯片可以和驅(qū)動芯片之間進行通信，將一些控制信息燒錄到驅(qū)動芯片中。通過主控制芯片模塊可以對轉(zhuǎn)子位置進行判斷，以達到更好的控制效果。轉(zhuǎn)子位置的檢測主要由霍爾傳感器檢測到轉(zhuǎn)子位置后，將數(shù)據(jù)傳給主控制芯片，主控制芯片對霍爾傳感器傳送回來的數(shù)據(jù)進行處理并判斷電機轉(zhuǎn)子的位置。第二部分為驅(qū)動電路模塊，這部分主要的功能對主控芯片產(chǎn)生的PWM信號進行放大，用來控制逆變電路中功率管的開通或者是關(guān)斷。驅(qū)動電路也可以和主控芯片進行通信，將逆變電路中的保護電路部分的設(shè)定參數(shù)燒錄到主控芯片中，例如過流保護，過壓保護等。第三部分是逆變電路模塊，該部分主要由六個功率管組成，由第二部分可知，主控芯片產(chǎn)生的PWM會被進行功率放大，而這六個功率管就由放大后的PWM進行控制，PWM可以通過控制功率管的柵極控制功率管的開通或關(guān)斷以此來達到控制電機中的三相繞組能夠交替導(dǎo)通。第四部分是電源管理模塊，這部分的功能對每個模塊和電機提供它們所需的工作電壓。第五部分是電機，這部分為整個驅(qū)動系統(tǒng)所驅(qū)動的對象。4.1主控電路設(shè)計控制系統(tǒng)的控制芯片采用32位高性能微處理器CH32V307VCT6，該處理器具有144MHz的主頻，支持SPI,SCI,LIN等多種通信方式，電機控制系統(tǒng)對電機的調(diào)速采用6路PWM控制方式，其中，上臂橋三路PWM，下臂橋三路PWM，CH32V307VCT6具有八路PWM，且支持0到100%的占空比，可以滿足電機驅(qū)動的需求。另外，CH32V307VCT6還具有霍爾捕獲單元，在采用霍爾換相時可以通過霍爾捕獲模塊采集到換相信息，從而進行換相，完成電機的控制。主電路設(shè)計分為兩個部分，分別是CH32單片機最小系統(tǒng)設(shè)計，單片機集成比較器和運放設(shè)計。圖4-2CH32單片機最小系統(tǒng)電路圖4.1.1CH32單片機最小系統(tǒng)CH32的單片機最小系統(tǒng)如圖4-2所示，本次單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計由三部分組成。晶振部分：為了減少系統(tǒng)時鐘誤差或者讓單片機達到更高的主頻。單片機會有兩個引腳OSC_IN和OSC_OUT為外部晶振的輸入口，晶振的兩端接這兩個IO口，并分別在晶振的兩端接電容到地。電源部分：最小系統(tǒng)的外部供應(yīng)的工作電壓設(shè)置為3.3V。還有3.3V基準通過0歐電阻可連接到ADC參考電壓VBAT。復(fù)位部分：單片機通電需要復(fù)位一次，復(fù)位電路也是單片機最小系統(tǒng)的一部分。本設(shè)計最小系統(tǒng)中有一個低電壓復(fù)位引腳NRST，即當輸入到低電平時，單片機復(fù)位。當電阻給電容器充電時，電容器的電壓緩慢上升到VCC。當芯片復(fù)位腳接近低電平時，芯片復(fù)位接近VCC，因此芯片停止復(fù)位并完成復(fù)位。4.1.2單片機集成比較器和運放設(shè)計的介紹比較器：該芯片內(nèi)置四個運算放大器，其中每一個運算放大器都可以當做比較器使用，內(nèi)置了比較器也為無傳感器控制無刷電機帶來了更多的便捷。在使用霍爾有感的方式我們也可以使用比較器來實現(xiàn)自動堵轉(zhuǎn)保護等功能。運放：該芯片內(nèi)置了四個運放，運放的作用是判斷電機是否堵轉(zhuǎn)等故障出現(xiàn)。四個運放輸出與單片機中的AD/DC引腳相連，通過采集電流信號進行放大比較從而判斷電機的運行情況，及時關(guān)閉控制避免硬件出現(xiàn)損壞。運放電路設(shè)計圖如圖4-3所示。本設(shè)計中，ISUM1和ISUM2采集采樣電阻兩端的電壓，兩者都接入了1K的電阻R48和R57可以抑制噪聲，采集到的電壓信號經(jīng)過單片機內(nèi)部的同向比例運算放大器進行放大，放大的倍數(shù)按照式4.1的公式計算為5.7倍，經(jīng)過放大的電壓信號輸出到比較器中，將3.3V的電壓經(jīng)過讓R39和R50進行分壓，然后將ISUM1和ISUM2經(jīng)過放大之后的電信號和3.3V經(jīng)過分壓之后的電壓信號在比較器中進行比較，若超過最大電壓將輸出高電平，則及時關(guān)閉控制，若未超過即輸出低電平正常運作。R_43+R_44/R_43=1+4.7/1=5.7（式4.1）4-3單片機內(nèi)部運放設(shè)計4.2驅(qū)動模塊4.2.1控制芯片的介紹本設(shè)計驅(qū)動模塊采用控制芯片是FD6288Q，F(xiàn)D6288Q是一款特別針對無刷電機驅(qū)動設(shè)計的芯片，集成了電壓調(diào)節(jié)器、霍爾傳感器信號接口、PWM調(diào)節(jié)，可以控制多種無刷電動機，通過高速開關(guān)的MOSFETS實現(xiàn)電機的換向和控制。FD6288Q集成了三個獨立的半橋柵極驅(qū)動集成電路芯片，專為高壓、高速驅(qū)動MOSFET設(shè)計，可在高達+250V電壓下工作。電壓工作范圍：5.0~20V集成三個獨立的半橋驅(qū)動。圖4-4為FD6288Q管腳圖。圖4-4FD6288Q管腳圖驅(qū)動芯片F(xiàn)D6288Q的引腳功能介紹如表3.1所示。表3.1FD6288Q引腳功能介紹管腳號管腳名稱管腳描述22,23,24HIN1,HIN2,HIN3高側(cè)輸入1,2,3LIN1,LIN2,LIN3低側(cè)輸入4VCC低側(cè)供電電壓6COM接地9.10.11LO3,LO2,LO1低側(cè)輸出12,15,18VS3,VS2,VS1高側(cè)浮動偏移電壓13,16,19HO3,HO2,HO1高側(cè)輸出14,17,20VB3,VB2,VB1高側(cè)浮動絕對電壓5,7,8,21NC1空腳4.2.2驅(qū)動模塊的電路設(shè)計圖4-5驅(qū)動模塊電路設(shè)計驅(qū)動電路如圖4-5所示，MOSFET的驅(qū)動電路設(shè)計選用FD6288Q集成驅(qū)動芯片，其擁有六路輸入通道以及六路輸出信號，并且只需要一個供電電源就可以完成。所以驅(qū)動電路設(shè)計分為兩個部分，一是電源設(shè)計，二是PWM的輸入輸出設(shè)計。（1）電源設(shè)計根據(jù)集成驅(qū)動芯片的電壓工作范圍選用了12V的工作電壓。4管腳VCC電源的輸入電壓。三個串聯(lián)的二極管的作用是防止電壓反向。（2)PWM的輸入輸出管腳該芯片具有對六路PWM輸入信號進行功率放大之后輸出的作用，所以將各個輸入輸出信號的管腳設(shè)計如下所示：六路輸入分別為HIN1、HIN2、HIN3作為驅(qū)動芯片的上三路輸入信號LIN1、LIN2、、LIN3為驅(qū)動芯片下三路輸入信號。PWM的輸出引腳為HO1、HO2、HO3為驅(qū)動芯片的上三路輸出信號。LO1、LO2、LO3為下三路輸出信號。其具體引腳和輸入輸出的對應(yīng)關(guān)系如表3.2所示。表3.2PWM的輸入輸出管腳與功率管對應(yīng)關(guān)系輸入輸出22管腳HIN119管腳HO11管腳LIN111管腳LO123管腳HIN216管腳HO22管腳LIN210管腳LO224管腳HIN313管腳HO33管腳LIN39管腳LO34.3逆變電路部分在逆變器的功率開關(guān)器件選擇問題上，應(yīng)該考慮功率管的耐壓值的大小，如果耐壓值過大，顯然會使經(jīng)濟性大大降低，增加硬件部分成本；而耐壓值偏小就會使電路在接通電壓時存在電壓擊穿的情況。本設(shè)計選擇6個TRH1R403NL來作為逆變器的MOSFET功率開關(guān)管。這款MOS導(dǎo)通電流高達150A，10V的時候內(nèi)阻低至1.2毫歐，開啟電壓低至2.5V左右，性價比較高。三相全橋主電路如圖4-6所示。圖4-6逆變電路設(shè)計如圖4-6所示，逆變電路中的A、B、C三相的主要組成部分為NMOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。在逆變電路中，向Q1的柵極施加電壓，當電壓達到或者超過Q1的閾值電壓時，Q1就會導(dǎo)通，此時，電流通過VBAT經(jīng)過Q1通過VSA2流入電機的A相。當Q4的柵極施加一個電壓，當電壓的值達到或者超過Q4的閾值電壓時，Q4導(dǎo)通，電流通過Q4之后接地。Q1和Q4不能同時都為高。因為當Q1和Q4同時為高時，兩個MOS管同時導(dǎo)通，VBAT直接和地相連，會由于電流過大燒毀電路。以此類推Q2、Q3、Q5、Q6按照Q1、Q4相同的原理控制電機的B相、C相。其中使用PWM脈寬調(diào)制波來進行NMOS管通斷的控制來控制電機正反轉(zhuǎn)，通過占空比的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)電機控速。為了監(jiān)測三相電流以及母線電流，防止其過大對電路產(chǎn)生影響，在逆變電路中放置了兩個50mR采樣電阻R116和R106，但由于采樣電阻采得的電壓信號非常小切輸出不穩(wěn)定導(dǎo)致主控芯片CH32識別困難，因此設(shè)計了一個電流采樣放大模塊，也就是4.1.2節(jié)所介紹的單片機內(nèi)部的運放設(shè)計。4.4電源管理模塊圖4-7電源管理模塊設(shè)計由圖4-7中可知，本次電源設(shè)計中VBAT作為整個系統(tǒng)提供電源的部分，VBAT除了向電機提供電源而直接施加在逆變電路中的上臂橋功率管漏極之外，還承擔著為整個驅(qū)動電路提供電源的作用。由圖4-8所示，將VBAT（12V）降壓轉(zhuǎn)換成5V，一部分用于霍爾傳感器的使用，另一部分轉(zhuǎn)換成5V的電壓向外輸出，而輸出的5V電壓一部分降壓轉(zhuǎn)換成3.3V，以提供主控芯片工作所需的電壓。12V降壓為5V設(shè)計：如圖4-8（a），12V電壓輸入時可能會受到雜波干擾所以使用電容C25和C26進行濾波處理，然后經(jīng)過降壓芯片RY8121，由芯片手冊可知反饋電壓為0.6。由式4.2的計算，將這12V電壓降低到5V經(jīng)過電容C22、C23、C24進行濾波輸出到SW引腳。確保輸出的電壓穩(wěn)定且沒有雜波。電感L1主要用于儲存電壓，而電容C19分的作用則是防止電感L1因充電過快而受損。V_OUT=V_REF(1+R58/R60=0.6×（1+8.3）=5V（式4.2）5V降壓為3.3V設(shè)計：如圖4-8（b），5V電壓經(jīng)過濾波電容C27、C28進入降壓芯片RT9013輸出3.3V，經(jīng)過C29、C30進行濾波，二極管D8、D9的作用是防止浪涌電壓損壞器件，為了防止LED7二極管長時間通電損壞所以增加了限流電阻R59。（a）（b）圖4-8電源管理電路4.5電壓AD采樣電路圖4-9電壓AD采樣電路過高的電壓和電流亦或者是過低的電壓，都有可能損壞驅(qū)動器。電壓電流參數(shù)同時也能反饋電機的工作狀態(tài)，所以在本項目中，電壓VBAT串接了分壓電阻R61和R67。通過式4.3的計算可知，電壓經(jīng)過分壓電阻之后轉(zhuǎn)化為2.1V作為采樣電阻R62上的低電壓信號輸出。低壓信號隨后進入主主控芯片CH32V307VCT的A/D管腳進行進一步的運算處理即可獲知干線電壓。其中C33是為了提高信號的穩(wěn)定性和準確性加的RC濾波器壓電阻。12÷（1+R62/R67）=12÷5.7=2.1V（式4.3）4.6過壓保護電路圖4-10過壓保護電路本設(shè)計中為了防止系統(tǒng)受到損壞或故障，設(shè)置了過壓保護電路用于監(jiān)測電機系統(tǒng)中的電壓。由圖4-10可知，VBAT經(jīng)過二極管D9輸入，D9的作用是防止電壓接反。由于過壓芯片ETA7014是一款具有非常低的35mohm電阻，所以通過改變外部連接用作過壓保護裝置。由芯片手冊可知Vfb為1.26，接入分壓電阻R64和R65，通過式4.4的計算，Vovp的值為13.86，所以若輸入電壓大于13.86V，芯片可以在小于0.1us的時間內(nèi)關(guān)閉開關(guān)，從而達到過電壓保護的作用。由于VBAT輸入的為12V小于13.86V，所以電路正常工作輸出12V的電壓供電路工作。電阻R63的作用是將進入使能引腳的電流減小。電容C31的作用是為了提高信號穩(wěn)定性和準確性所加的濾波器。V_ovp

5無刷直流電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1軟件開發(fā)語言與工具第四章介紹了本設(shè)計電機驅(qū)動系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計方案，硬件設(shè)計搭建了一個設(shè)計框架，但要讓設(shè)計動起來還需要軟件部分的支持，因為本設(shè)計中采用的是CH32V307VCT6微處理器。所以本設(shè)計使用該處理器配套的編程軟件MRS（MounRiverStudio），選用的編程語言為C語言。MRS的軟件開發(fā)界面圖如下圖所示。圖5-1MRS軟件開發(fā)界面5.2控制系統(tǒng)主程序設(shè)計本設(shè)計中，對于一些不需要實時更新的功能都放在了主程序中，而對于需要實時更新的，則采用中斷函數(shù)的方式進行處理。如圖5-2所示，主程序首先對系統(tǒng)、延時、ADC、串口等各項功能進行初始化，初始化的主要目的是為軟件程序的執(zhí)行做好準備。系統(tǒng)初始化之后，整個系統(tǒng)就開始運行。然后按照順序啟動電機，開啟中斷與定時器，當遇見中斷請求時停止主程序運行優(yōu)先運行中斷程序，跳出中斷程序后主程序續(xù)運行，以此循環(huán)。主程序設(shè)計流程圖如圖5-2所示。圖5-2主程序設(shè)計流程圖5.4控制系統(tǒng)中斷子程序設(shè)計本次設(shè)計的中斷處理程序功能主要包括電壓電流的采樣，電機轉(zhuǎn)速的控制，PWM輸入等。在本次的中斷程序設(shè)計中主要介紹三個主要的中斷程序?；魻柖〞r器中斷、PIT定時器中斷和PWM信號輸入定時器中斷以及三個主要中斷程序的功能。5.4.1霍爾定時器中斷圖5-3霍爾定時器中斷流程圖如圖5-3霍爾定時器中斷是無刷電機的核心中斷，霍爾接口所使用的定時器通道1作為觸發(fā)中斷。在中斷內(nèi)主要是獲取讀取當前霍爾值，滑動濾波，進行速度計算，計算下一次霍爾的期望值，進行電機換向，換向超時處理。讀取本次換相所用時間，主要是統(tǒng)計每次換相的時間。當電機正常運行的時候?qū)⒚看螕Q相的時間都進行滑動濾波，當?shù)玫阶罱?次的換相時間之后，就能知道電機轉(zhuǎn)動一圈所花費的時間，從而就能夠計算出電機的轉(zhuǎn)速了。如果換相時間過長，則會觸發(fā)霍爾接口所使用的定時器通道3中斷，認為出現(xiàn)故障此時應(yīng)該及時關(guān)閉輸出。5.4.2PIT周期定時器中斷圖5-3PIT周期定時器中斷流程圖如圖5-3定時器6中斷頻率為1KHz，主要用于根據(jù)獲得的占空比設(shè)置電機速度，然后計算速度曲線，用于實現(xiàn)電機緩慢加速，緩慢加速降低電機加速時功率，在調(diào)試階段可以盡量保護車模以及硬件電路。然后進行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，參考式4.3增量PID的算法這里主要實現(xiàn)是將我們采集到的電機速度與設(shè)置的電機速度求差，將得到的偏差系數(shù)KP得到比例輸出Pout，然后對偏差系數(shù)KI并將每次計算出的結(jié)果進行求和得到Iout，最終將Pout與Iout相加，然后將相加之后的和輸出到占空比寄存器驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。其中KP、KI系數(shù)需要反復(fù)調(diào)試，以找到更加完美的參數(shù)，使得電機運行更加迅速且穩(wěn)定。5.4.3PWM信號輸入定時器中斷圖5-4PWM信號輸入定時器中斷流程圖如圖5-4本次設(shè)計中PWM信號輸入定時器中斷主要使用的是定時器2和定時器10。該定時器中斷主要作用是用來接收外部PWM信號的周期與高電平時間，然后計算信號的占空比，根據(jù)占空比的大小設(shè)置電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)外部控制器來控制電機的轉(zhuǎn)速。

6系統(tǒng)測試結(jié)果與分析6.1測試方案在完成硬件和軟件的設(shè)計之后要做的就是調(diào)試設(shè)計的相關(guān)功能從而使設(shè)計達到要求的功能。首先是硬件部分的調(diào)試，需要對硬件設(shè)計進行不同模塊的測試。在完成元器件的焊接之后我們要檢查電路板是否存在虛焊或者焊錯的情況，所以要對整個電路板的電壓進行測試，看電壓是否能夠正常輸出所需要的電壓也就是5V和3.3V。然后再檢測主控芯片能不能正常輸出PWM波。將驅(qū)動芯片的PWM波和主控芯片的PWM進行對比，看驅(qū)動芯片是不是將主控芯片輸入的PWM進行了放大。其次是軟件部分的調(diào)試。在對軟件部分的調(diào)試中，主要是閉環(huán)控制的調(diào)試。由于閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試涉及的參數(shù)比較多，所以需要反復(fù)進行調(diào)試。最后是應(yīng)用測試，測試驅(qū)動器在電機的應(yīng)用情況，對轉(zhuǎn)速進行監(jiān)測和誤差分析。6.2電壓調(diào)試在本次的電源設(shè)計中VBAT經(jīng)過DC-DC單路輸出降壓調(diào)節(jié)5V以供霍爾傳感器等電路的使用，再將5V電壓降壓調(diào)節(jié)為3.3V供主控芯片使用。電壓調(diào)試部分用優(yōu)利德的UT89XD的數(shù)字萬用表檢測，如圖6-1（a）圖6-1（b）檢測到經(jīng)過降壓模塊之后輸出的電壓為5.03V，5V經(jīng)過降壓模塊后降壓為3.32V。電壓輸出測試如下圖6-1所示。實測電壓數(shù)據(jù)與理論值稍有偏差，可能是由于輸入電壓波動等情況造成。但由于誤差率僅為3%和2%，不會對實驗造成干擾。(b)圖6-1電壓輸出測試6.3信號檢測結(jié)果分析6.3.1主控芯片PWM輸出(a)(b)圖6-2主控芯片PWM輸出波形本次波形測試采用SLGLENT的SH5815系列的示波器進行波形分析。圖6-2中所示是調(diào)試主控芯片是否可以正常輸出PWM時所截的波形圖，通過該波形，可以得出主控芯片是可以正常輸出PWM的結(jié)論。由圖6-2（a）和圖6-2（b）可知該輸出的PWM波形是一對互補的輸出，其中圖6-2(a)部分是PWMA_H管腳輸出的波形，其中幅值為1.13VV，頻率小于10HZ，圖6-2(b)部分是PWMA_L管腳的輸出波形，幅值為1.46V頻率為1000HZ。6.3.2驅(qū)動芯片PWM輸出（b）圖6-3驅(qū)動芯片PWM輸出波形驅(qū)動芯片主要作用是對控制芯片輸出的PWM進行功率放大，以便順利驅(qū)動逆變電路中的功率管，如圖6-3所示是電機通電運行之后，驅(qū)動芯片下兩路中的兩路輸出的波形圖。圖6-3(a)為PWMA_L管腳的波形，幅值為2.44V幅值為頻率小于10HZ，圖6-3(b)為PWMB_L管腳的波形，幅值為2.52V頻率為18.2553HZ，可以得出結(jié)論：驅(qū)動芯片達到了對主控芯片輸出的PWM進行功率放大的作用。6.4驅(qū)動電路的應(yīng)用測試本次本設(shè)計由于博思生產(chǎn)的N車模，原裝飛輪和后輪都是無刷，剛好跟CH32V307雙電機無刷驅(qū)動匹配。所以選擇N車模后輪無刷電機（具體參數(shù)如表6.1所示），N車模飛輪無刷電機（具體參數(shù)如表6.2所示）來進行應(yīng)用測試。表6.1后輪無刷電機參數(shù)額定電壓7.4V使用電壓范圍6-24V空載電流650mA空載轉(zhuǎn)速3900rpm負載電流4A負載轉(zhuǎn)速2400rpm堵轉(zhuǎn)力矩126Mn.m堵轉(zhuǎn)電流7.8A電機極數(shù)14極電機槽數(shù)12槽表6.2飛輪無刷電機參數(shù)使用電壓范圍7.4-12.4V最高電壓20V空載轉(zhuǎn)速6000rpm空載電流0.4A堵轉(zhuǎn)電流12A工作環(huán)境溫度范圍5℃-40℃扭矩0.12N.m電機極數(shù)14極電機槽數(shù)12槽為了方便進行測試，本設(shè)計中測試電機均搭建在N車模上進行測試。圖6-4（a）為后輪無刷電機正轉(zhuǎn)圖，圖6-4（b）為后輪無刷電機反轉(zhuǎn)圖。圖6-5（a）為飛輪無刷電機正轉(zhuǎn)圖，圖6-5（b）為飛輪無刷電機反轉(zhuǎn)圖。（b）圖6-4后輪無刷電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)測試（b）圖6-5飛輪無刷電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)測試由圖6-4和6-5可知，將驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用在電機上，可以實現(xiàn)無刷電機的正反轉(zhuǎn)，符合設(shè)計要求。6.5PID參數(shù)調(diào)節(jié)6.5.1串口配置本次設(shè)計的PID調(diào)參和轉(zhuǎn)速監(jiān)測采用上位機（電腦）來進行，數(shù)據(jù)通過逐飛科技的USB型的串口通信接口和串口助手VisualScope相互通信在電腦上測試。圖6-6是在進行檢測之前進行的配置。圖6-6串口配置在進行配置之后在代碼中編入通信協(xié)議使得電腦可以與無刷電機進行通信，進行發(fā)送命令以獲取轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。再進行編寫程序來接收來自無刷電機的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，將接收到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)顯示在電腦界面上。在第一次進行接收時，數(shù)據(jù)出現(xiàn)了亂碼的現(xiàn)象，在經(jīng)過長時間的調(diào)試之后，電腦成功接收了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。6.5.2PID參數(shù)調(diào)節(jié)電機的控制主要使用3.3節(jié)所介紹的增量式PID算法進行調(diào)節(jié)，本次設(shè)計采用控制變量法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，通過串口助手VisualScope在上位機中觀察電機的閉環(huán)速度。這意味著我們保持Kp、Ki、Kd中的一個參數(shù)為變量，而另外兩個參數(shù)則保持不變。通過這種方法，我們可以逐步調(diào)節(jié)每個參數(shù)以優(yōu)化系統(tǒng)的控制效果。以下調(diào)參過程中給定的電機期望速度都為80。且在上位機觀測到的速度波形中，波形1都為設(shè)定的期望速度波形，波形2都為實時采集到的速度波形。Kp=15，Ki=0，Kd=0時，上位機監(jiān)測到的設(shè)定速度與實際速度輸出的波形如圖6-6所示，此時設(shè)定速度與實際速度之間明顯有較大的差距。所以還要繼續(xù)調(diào)節(jié)Kp的參數(shù)。圖6-6Kp=15，Ki=0，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0，Kd=0時，上位機檢測到的設(shè)定速度與實際速度輸出的波形如圖6-7所示，還是達不到期望速度。繼續(xù)調(diào)節(jié)Kp參數(shù)。圖6-7Kp=20，Ki=0，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=25，Ki=0，Kd=0時，上位機檢測到的設(shè)定速度與實際速度輸出的波形如圖6-8所示，此時可以看到設(shè)定速度與實際速度之間相比前面兩組明顯差距更小，所以繼續(xù)調(diào)節(jié)Kp的參數(shù)。圖6-8Kp=25，Ki=0，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=30，Ki=0，Kd=0時，上位機監(jiān)測到的設(shè)定速度與實際速度輸出的波形如圖6-9所示，波形2在開機時震蕩接近期望速度波形。繼續(xù)調(diào)節(jié)Kp參數(shù)。圖6-9Kp=30，Ki=0，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=35，Ki=0，Kd=0時上位機監(jiān)測到的設(shè)定速度與實際速度輸出的波形如圖6-10所示，隨著Kp的值逐漸增大，設(shè)定速度與實際輸出的速度之間的差距越來越小。所以繼續(xù)調(diào)節(jié)Kp的參數(shù)。圖6-10Kp=35，Ki=0，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=40，Ki=0，Kd=0時，上位機監(jiān)測到的設(shè)定速度與實際速度輸出的波形如圖6-11所示。值得注意的是，波形2明顯超出了設(shè)定的紅色波形范圍，這表明Kp值設(shè)置過大。圖6-11Kp=40，Ki=0，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=45，Ki=0，Kd=0時上位機監(jiān)測到的設(shè)定速度與實際速度輸出的波形如圖6-12所示。值得注意的是，波形2震蕩嚴重且尖峰較大，這表明Kp值設(shè)置過大。圖6-12Kp=45，Ki=0，Kd=0監(jiān)測的速度波形根據(jù)圖中Kp的調(diào)節(jié)波形顯示，在調(diào)節(jié)過程中，當Kp值為35時，實時速度最接近設(shè)定速度且沒有突出尖刺。因此，我們選擇在Kp=35時進行Ki的調(diào)節(jié)。然而在Kp=35，Ki=0.01，Kd=0的情況下，如圖6-13所示，圖形的前半部分顯示出過多的尖刺，且Ki的值比較小的情況下。表明此時Kp值過大。因此決定減小Kp值，以便進行Ki值的調(diào)節(jié)。圖6-13Kp=35，Ki=0.01，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=25，Ki=0.01，Kd=0時，上位機監(jiān)測到的設(shè)定速度與實際速度輸出的波形如圖6-14所示，此時波形2還是有明顯毛刺，說明還要繼續(xù)減小Kp的值。圖6-14Kp=25，Ki=0.01，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.01，Kd=0時，上位機監(jiān)測到的設(shè)定速度與實際速度輸出的波形如圖6-15波形沒有明顯突出的毛刺，表明此時Kp的值合適。因此將Kp參數(shù)定為20，并繼續(xù)進行Ki參數(shù)的調(diào)節(jié)。圖6-15Kp=20，Ki=0.01，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.1，Kd=0輸出的波形如圖6-16所示，此時實際速度與設(shè)定速度波形在后半段明顯接近，但此時響應(yīng)時間較長，所以繼續(xù)調(diào)節(jié)Ki的值。圖6-16Kp=20，Ki=0.1，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.2，Kd=0時輸出的波形如圖6-17所示。此時實際速度與設(shè)定速度波形在后半段明顯接近，但此時響應(yīng)時間較長，所以繼續(xù)調(diào)節(jié)Ki的值。圖6-17Kp=20，Ki=0.2，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.3，Kd=0時輸出的波形如圖6-18所示。此時實際速度與設(shè)定速度波形在后半段明顯接近，此時響應(yīng)時間對比前面幾組數(shù)據(jù)明顯短了，所以繼續(xù)調(diào)節(jié)Ki的值。圖6-18Kp=20，Ki=0.3，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.4，Kd=0時輸出的波形如圖6-19所示。此時實際速度與設(shè)定速度波形在后半段明顯接近，此時響應(yīng)時間對比前面幾組數(shù)據(jù)明顯短了，所以繼續(xù)調(diào)節(jié)Ki的值。圖6-19Kp=20，Ki=0.4，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.45，Kd=0時輸出的波形如圖6-20所示。此時實際速度與設(shè)定速度波形在后半段明顯接近，此時響應(yīng)時間對比前面幾組數(shù)據(jù)明顯短了，所以繼續(xù)調(diào)節(jié)Ki的值。圖6-20Kp=20，Ki=0.45，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=20，ki=0.5，Kd=0時，輸出的波形如圖6-21所示。由波形可知此時設(shè)定的速度與輸出的速度波形幾乎重合，且響應(yīng)時間幾乎為0，說明Kp、Ki值調(diào)節(jié)合適，接下來保持Kp=20，Ki=0.5調(diào)節(jié)Kd的值。圖6-21Kp=20，Ki=0.5，Kd=0監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.5，Kd=2時輸出的波形如圖6-22所示。對比前一組波形未有明顯的變化，繼續(xù)改變Kd的值觀察波形。圖6-22Kp=20，Ki=0。5，Kd=2監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.5，Kd=5時，輸出的波形如圖6-23所示，波形未有明顯的變化，繼續(xù)增大Kd的值觀察波形。圖6-23Kp=20，Ki=0.5，Kd=5監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.5，Kd=10時輸出的波形如圖6-24所示，波形未有明顯的變化，繼續(xù)增大Kd的值觀察波形。圖6-24Kp=20，Ki=0.5，Kd=10監(jiān)測的速度波形Kp=20，Ki=0.5，Kd=15時。輸出的波形如圖6-25所示，波形還是未有明顯的變化，說明此時調(diào)節(jié)Kd的值對數(shù)據(jù)無影響。圖6-25Kp=20，Ki=0.5，Kd=15監(jiān)測的速度波形本次PID參數(shù)調(diào)節(jié)Kp、Ki、Kd總結(jié)的表格如表6.3、表6.4、表6.5所示。表6.3Kp定為變量，Ki和Kd保持不變時序號KpKiKd實際效果11500達不到期望值22000達不到期望值32500達不到期望值43000接近期望值53500接近期望值64000速度震蕩74500速度震蕩劇烈表6.4Ki定為變量，Kp和Kd保持不變時序號KpKiKd實際效果1200.010速度達到期望值，響應(yīng)時間慢。2200.10速度達到期望值，響應(yīng)時間慢。3200.20速度達到期望值，響應(yīng)時間慢。4200.30速度達到期望值，響應(yīng)時間變快5200.40速度達到期望值，響應(yīng)時間變快。6200.450速度達到期望值，響應(yīng)時間變快。7200.50速度達到期望值，響應(yīng)響應(yīng)迅速。表6.5Kd定為變量，Kp和Ki保持不變時序號KpKiKd實際效果1200.52不變2200.55不變3200.510不變4200.515不變6.6電機轉(zhuǎn)速調(diào)試6.6.1后輪無刷電機轉(zhuǎn)速調(diào)試設(shè)定PID參數(shù)為Kp=20，Ki=0.5，Kd=0調(diào)試無刷電機的轉(zhuǎn)速，當給定后輪無刷電機轉(zhuǎn)速如圖6-27（a）為60時，由于定時器6為50ms的中斷，所以50ms掃描一次電機的轉(zhuǎn)速，所以電機轉(zhuǎn)速為1200r/min電腦接收到的后輪無刷電機的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如下圖6-27（b）（c）所示。（b）（c）圖6-27設(shè)定速度為60接收的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中給定的初始命令轉(zhuǎn)速為圖6-27（a）所示為60，圖6-27（b）為電腦接收到的后輪無刷電機的轉(zhuǎn)速，將數(shù)據(jù)進行分析，在這些數(shù)據(jù)中，選取了五個數(shù)據(jù)分別是十六進制的3C、38、3B、44、3D計算轉(zhuǎn)速的平均值得出后輪電機轉(zhuǎn)速的平均值為60.8，電機的轉(zhuǎn)速即為1216r/min與設(shè)定值僅差16r/min，誤差率僅為1.3%低于5%，轉(zhuǎn)速的變化范圍在合理范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。由圖6-27（c）的波形數(shù)據(jù)觀察到轉(zhuǎn)速在運行期間基本保持穩(wěn)定，響應(yīng)時間為50毫秒，未出現(xiàn)明顯的遞增或遞減趨勢。波形中有些突出的毛刺部分是數(shù)據(jù)接收時檢測到的少量異常值，可能是由于傳感器誤差或環(huán)境變化引起。當給定后輪無刷電機轉(zhuǎn)速如圖6-28（a）為70時，即轉(zhuǎn)速為1400r/min時。電腦接收到的后輪無刷電機的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如圖6-28（b）（c）所示。（a）（b）（c）圖6-28設(shè)定轉(zhuǎn)速為70時接收的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中給定的初始命令轉(zhuǎn)速為圖6-28（a）所示為70，圖6-28（b）為電腦接收到的后輪無刷電機的轉(zhuǎn)速，將數(shù)據(jù)進行分析，在這些數(shù)據(jù)中，選取了五個數(shù)據(jù)分別是十六進制的4B、4A、4E、52、34計算轉(zhuǎn)速的平均值得出后輪電機轉(zhuǎn)速的平均值為72.2，即轉(zhuǎn)速為1444r/min與設(shè)定值僅差44r/min，誤差率僅為3.1%低于5%，轉(zhuǎn)速的變化范圍在合理范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。由圖6-28（c）的波形數(shù)據(jù)觀察到轉(zhuǎn)速在運行期間基本保持穩(wěn)定，響應(yīng)時間為50毫秒，未出現(xiàn)明顯的遞增或遞減趨勢。波形中有些突出的毛刺部分是數(shù)據(jù)接收時檢測到的少量異常值，可能是由于傳感器誤差或環(huán)境變化引起。當給定速度如圖6-29（a）為80時，即轉(zhuǎn)速為1600r/min電腦接收到的后輪無刷電機的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如圖6-29（b）（c）所示。（a）（b）（c）圖6-29設(shè)定轉(zhuǎn)速為80時接收的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中給定的初始命令轉(zhuǎn)速為圖6-29（a）所示為80，圖6-29（b）為電腦接收到的后輪無刷電機的轉(zhuǎn)速，將數(shù)據(jù)進行分析，在這些數(shù)據(jù)中，選取了五個數(shù)據(jù)分別是十六進制的4D、4A、61、50、4E計算轉(zhuǎn)速的平均值得出后輪電機轉(zhuǎn)速的平均值為81.2，即轉(zhuǎn)速為1624/min與設(shè)定值僅差24r/min，誤差率僅為1.5%低于5%，轉(zhuǎn)速的變化范圍在合理范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。由圖6-29（c）的波形數(shù)據(jù)觀察到轉(zhuǎn)速在運行期間基本保持穩(wěn)定，且響應(yīng)時間為50毫秒，未出現(xiàn)明顯的遞增或遞減趨勢。波形中有些突出的毛刺部分是數(shù)據(jù)接收時檢測到的少量異常值，可能是由于傳感器誤差或環(huán)境變化引起。本次實驗收集了六組實驗數(shù)據(jù)分別是當給定后輪無刷電機六組轉(zhuǎn)速分別為50、60、70、80、90、100時通過觀察數(shù)據(jù)輸出的結(jié)果進行誤差分析，輸出的數(shù)據(jù)以及誤差分析如表6.6所示。表6.6后輪無刷電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)實驗數(shù)給定轉(zhuǎn)速(r/min)平均輸出轉(zhuǎn)速(r/min)誤差值(r/min)誤差率均差響應(yīng)時間（ms）110001012121.2%7.8849212001216161.3%2.9650314001444443.1%8.0850416001624241.5%6.3250518001810100.5%1.9750620002028281.4%6.8251由表6.6可知，這六組數(shù)據(jù)的誤差率都小于5%。且平均差都小于8說明數(shù)據(jù)與平均數(shù)的離散程度較低，數(shù)據(jù)較為集中，且響應(yīng)時間平均為50毫秒，響應(yīng)速度快，驅(qū)動性能好，很大程度表明了此設(shè)計符合設(shè)計要求。6.6.2飛輪無刷電機轉(zhuǎn)速調(diào)試用相同方法測試飛輪無刷電機的轉(zhuǎn)速，當Kp=20，Ki=0.5，Kd=0時，給定速度為400、600、800、1000、1200、1400時，無刷飛輪電機輸出的速度及誤差分析如表6.7所示。表6.7飛輪無刷電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)實驗數(shù)給定轉(zhuǎn)速（r/min）平均輸出轉(zhuǎn)速(r/min)誤差值(r/min)誤差率均差響應(yīng)時間（ms）1400412233%1.2802600615152.5%0.8879380080881%0.9180410001036363.6%3.4781512001214141.1%3.3680614001431312.2%0